使用LabVIEW 等硬件對歐超大望遠(yuǎn)鏡的主反射鏡位置調(diào)整執(zhí)行器進(jìn)行控制

　　望遠(yuǎn)鏡模擬器

　　為根據(jù)要求對位置執(zhí)行器進(jìn)行測試，我們開發(fā)了另外一個軟件，用來模擬望遠(yuǎn)鏡計(jì)算機(jī)(通過SPI接口與位置執(zhí)行器通信)。這一計(jì)算機(jī)扮演著SPI主控器的角色，而執(zhí)行器則位于SPI從屬端。此模擬程序以1 kHz的速率發(fā)送數(shù)百萬個的位置命令，并以1KHz的速率通過SPI總線讀取從屬端的反應(yīng)。此外，它還以5kHz的速率從一個安裝于機(jī)械測試臺上的附加外部位置傳感器讀取數(shù)據(jù)，用于對位置執(zhí)行器的內(nèi)部傳感器進(jìn)行交叉檢查。這三個循環(huán)都需要以優(yōu)于200us的精度進(jìn)行同步，對數(shù)據(jù)進(jìn)行二進(jìn)制格式的存儲以用于離線分析。在長為一小時的測試中，所存儲的文件將大于100 MB。圖2中的圖形用戶界面顯示了命令管理、以及附加外部位置傳感器數(shù)據(jù)的時域和頻域同步顯示。

　　我們所采用的解決方案使用一個帶有數(shù)字I/O的NI PCI -7811R FPGA卡，安裝在基于Windows XP的電腦上(如圖2所示)。

　　兼具實(shí)時性和靈活性

　　執(zhí)行器的電子控制裝置和軟件包含多種接口(如圖3所示)，而且其中大部分接口都可以在開發(fā)的初始階段進(jìn)行更改，包括：

　　帶有4MHz時鐘的SPI接口，能夠每ms接受一個外部命令

　　CAN總線接口，對粗調(diào)電機(jī)進(jìn)行控制，并使用CANopen作為應(yīng)用層協(xié)議，提供諸如行程限位和硬件報警等信息

　　模擬輸出接口，控制微調(diào)音圈電機(jī)

　　模擬輸入接口，監(jiān)視微調(diào)音圈電機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)

　　基于以太網(wǎng)的UDP/IP協(xié)議接口，讀取外部位置傳感器的電子裝置中的數(shù)據(jù)

　　基于以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議接口，下載并調(diào)試輔助的離線數(shù)據(jù)

　　數(shù)字輸入接口，用于讀取原點(diǎn)位置傳感器的數(shù)據(jù)

　　使用這些接口需要極大的靈活性。

　　如下功能則需要實(shí)時特性：

　　使用SPI從屬設(shè)備以80MHz的速率讀取數(shù)字輸入，在幾微秒的時間內(nèi)對一個新的外部命令作出響應(yīng)

　　執(zhí)行快速微調(diào)伺服控制，包括基于若干個2kHz到10kHz濾波器的PID(比例微分積分 - proportional integral derivative)控制，并且在開發(fā)的最后階段可調(diào)

　　同步并存儲二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件，用于SPI外部命令(1kHz)、音圈電機(jī)當(dāng)前模擬輸入(2kHz)、基于以太網(wǎng)的位置傳感器數(shù)據(jù)采集(2–10 kHz)和伺服控制器內(nèi)部變量(2–10 kHz)等數(shù)據(jù)的離線分析

　　使用商業(yè)現(xiàn)成可用的(commercial off-the-shelf，COTS)的平臺滿足這些要求，需要在靈活性和實(shí)時性之間作出折衷。然而，通過使用NI硬件，并通過LabVIEW Real-Time 和 LabVIEW FPGA模塊進(jìn)行編程，我們所獲得的實(shí)時特性超出了上述要求，而且各種接口均可調(diào)整，無需犧牲靈活性(圖3)。

　　結(jié)論

　　NI PXI平臺幫助我們在保持系統(tǒng)靈活性和實(shí)時性的同時顯著減少了開發(fā)時間，而且能夠滿足電子裝置/軟件方面的設(shè)計(jì)要求。使用LabVIEW，可以在同一個軟件環(huán)境中對實(shí)時控制器和FPGA模塊進(jìn)行編程，幫助我們快速集成系統(tǒng)，并確保系統(tǒng)獨(dú)立、可靠。此外。此外，NI工程師為我們提供了快速且有效的幫助，讓我們更快完成開發(fā)。